Team 1

Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung - produzieren mit Lichtblitzen

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Vom Labor in die Werkhalle: neue Produkte dank starker Laserblitze

Ultrakurze Laserpulse als neues Werkzeug der industriellen Massenfertigung
Die gemeinsame Arbeit von Bosch, TRUMPF und der Universität Jena hat ultrakurze Laserpulse von einem Mittel der Forschung zum erfolgreichen Werkzeug der Serienproduktion gemacht. Mit der konzentrierten Energie des Lasers lassen sich alle Werkstoffe schnell, präzise und in hoher Stückzahl wirtschaftlich bearbeiten. Grundlagenforschung, Entwicklung, Produktion, neue Arbeitsplätze, wirtschaftlicher Nutzen – das alles fand und findet in Deutschland statt.

Das höchst präzise Verfahren eröffnet vielen Branchen Wege zu neuen Produkten, die bislang nur äußerst schwierig oder gar nicht herzustellen waren. Viele sind bereits im Markt, darunter kraftstoffsparende Motoren und Heiztechniksysteme sowie besser verträgliche medizinische Implantate. Die immer dünner und fester werdenden Gläser von Smartphones lassen sich inzwischen kaum noch anders schneiden. Ultrakurzpulslaser beantworten zentrale Fragen der Fertigungstechnik, was besonders an Hochlohnstandorten die Wettbewerbsfähigkeit stärkt. Auch die Werkzeugmaschinenindustrie – wichtiger Umsatzträger in Deutschland – profitiert auf Dauer.

Erfolgreiches Dreierteam
Ein beharrliches Dreierteam hat die Ultrakurzpulslaser in gemeinsamer Forschung zum robusten, zuverlässigen Werkzeug für den Einsatz in Werkhallen entwickelt. Grundlagen dafür wurden auch im Rahmen der BMBF-Projekte PRIMUS und PROMPTUS geschaffen. Professor Stefan Nolte arbeitet an der Universität Jena sowie am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik. Er legte die wissenschaftlichen Grundlagen für die Bearbeitung fast aller Materialien mit den energiereichen, ultrakurzen Laserpulsen. Als Innovationsführer für industrielle Laser entschied TRUMPF unter der fachlichen Leitung von Dr. Dirk Sutter, die Ultrakurzpulslaser-Technologie bis zur Industriereife voranzutreiben und bietet heute die industriell leistungsstärksten Ultrakurzpulslaser am Markt. Basierend auf den Arbeiten von Dr. Jens König zur produktiven Lasermikrobearbeitung setzt Bosch die Kraft des Lasers heute fein kontrolliert auf eigens entwickelter Fertigungs- und Systemtechnik in der industriellen Serienproduktion ein. Mehr als 20 Millionen so entstandene Produkte sind bereits bei Kunden im Einsatz. Alle drei – Nolte, Sutter, König – sind für diese Leistungen gleichwertig für den Zukunftspreis nominiert.

Die Technik
Trifft ein herkömmlicher Laserstrahl zum Beispiel auf Metall, wird es aufgeheizt, es schmilzt und verdampft teilweise. Das Verhalten von geschmolzenem Material ist aber nur schwer zu beherrschen. Oft führt das sowohl zu Gratbildung an den Rändern durch erstarrte Schmelze als auch zu Unebenheiten und damit zu verminderter Präzision. Zudem kann es durch Wärmeeintrag zu Belastungen im Material kommen. Auch daher können Toleranzen nicht eingehalten werden. Dann ist eine Nacharbeit erforderlich, was Zeit und Geld kostet. Besonders harte Materialien wie Diamant und Saphir lassen sich so gar nicht bearbeiten.

Ultrakurzpulslaser bieten die Lösung: Durch die geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie und der richtigen Fokussierung wird das Material so schnell und so stark erhitzt, dass es ohne Schmelze verdampft. Das abgetragene Material wird abgesaugt, bevor es sich wieder auf dem Werkstück absetzen kann. So lassen sich feinste Bereiche in der Größe von nur wenigen Mikrometern strukturieren. Ein eigens entwickeltes Spiegelsystem lenkt dafür hunderttausende Laserpulse pro Sekunde an die korrekte Stelle.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass trotz der hoch konzentrierten Energie des Lasers kein Wärmeeintrag in das Material erfolgt. Die Ingenieure sprechen von „kalter Bearbeitung“. Ein plakatives Beispiel ist die Gravur feinster Strukturen auf einen Streichholzkopf, ohne dass es entflammt. In der industriellen Herstellung bei Bosch konzentrieren hierfür entwickelte Fertigungsmaschinen und Systemtechnik den Laserstrahl auf winzige Bauteile und bohren tausende mikroskopisch kleine Löcher. Das Material in der Umgebung ermüdet nicht und wird auch nicht spröde. Die Wärme-Einflusszone bei dieser Anwendung reicht nur etwa 10 Nanometer (zehn millionstel Millimeter) ins Material.

Gute Aussichten
Bosch beherrscht die Kunst, die Kraft des Lasers für die jeweilige Aufgabe bestmöglich zu bändigen. Einmal angepasst, erledigt der gebündelte Strahl seine Aufgabe sehr schnell. So wurden bis zum Jahr 2012 bereits 20 Millionen Bauteile an Kunden ausgeliefert, die an speziell entwickelten Fertigungsstraßen entstanden. Diese Zahl wird künftig weiter steigen. Unter anderem entstehen so die extrem feinen Düsen der Benzin-Direkteinspritzungen, was zur Treibstoffeinsparung von bis zu 20 Prozent beiträgt. Zudem forscht Bosch an Produkten, die durch diese Fertigung neue oder bessere Funktionen bekommen, und meldet Patente dazu an.

Bei Trumpf sind Ultrakurzpulslasersysteme ein wesentlicher Wachstumsmotor. Hundertfach sind sie bereits im industriellen Einsatz. Dies kommt nicht von ungefähr: Sie basieren auf einer dünnen Kristallscheibe, die eine sehr hohe Spitzenleistung, ausgezeichnete Strahlqualität und Skalierbarkeit ermöglicht. Die Stabilität der Pulse gewährleistet dabei eine patentierte Regelschleife, die nur die eingestellten Parameter am Werkstück ankommen lässt. Dieses innovative und robuste Scheibenlaser-Konzept hat das Vertrauen für die weltweit erste Großbestellung von 100-Watt-Ultrakurzpulslasern geschaffen, Tendenz steigend.

Weitere Anwendungen
Branchen wie die Automobilindustrie, die Halbleiterfertigung, Industrietechnik, Photovoltaik und Elektroindustrie – alle entwickeln sie Anwendungen für Ultrakurzpulslaser. Beispiele sind das Trennen von Siliziumwafern in einzelne Chips oder das Bohren und Trennen von Leiterplatten aus Kunststoff. Es lässt sich allerdings noch längst nicht absehen, in welchen und wie vielen Bereichen dieses neue Werkzeug in den nächsten Jahren noch zum Einsatz kommen wird.

Bosch
Die Bosch-Gruppe ist ein international führendes Technologie- und Dienstleistungsunternehmen und erwirtschaftete im Geschäftsjahr 2012 mit rund 306 000 Mitarbeitern einen Umsatz von 52,5 Milliarden Euro. Seit Anfang 2013 gilt eine neue Struktur mit den vier Unternehmensbereichen Kraftfahrzeugtechnik, Industrietechnik, Gebrauchsgüter sowie Energie- und Gebäudetechnik. Die Bosch-Gruppe umfasst die Robert Bosch GmbH und ihre rund 360 Tochter- und Regionalgesellschaften in rund 50 Ländern; inklusive Vertriebspartner ist Bosch in rund 150 Ländern vertreten. Dieser weltweite Entwicklungs-, Fertigungs- und Vertriebsverbund ist die Voraussetzung für weiteres Wachstum. Im Jahr 2012 gab Bosch rund 4,8 Milliarden Euro für Forschung und Entwicklung aus und meldete rund 4 800 Patente weltweit an. Ziel der Bosch-Gruppe ist es, mit ihren Produkten und Dienstleistungen die Lebensqualität der Menschen durch innovative, nutzbringende sowie begeisternde Lösungen zu verbessern und Technik fürs Leben weltweit anzubieten.

www.bosch.com
Pressekontakt: Thilo Resenhoeft, +49 711 811 7088, Thilo.Resenhoeft@de.bosch.com

TRUMPF
TRUMPF ist ein weltweit führendes Technologieunternehmen mit den Geschäftsfeldern Werkzeugmaschinen, Lasertechnik, Elektronik und Medizintechnik. Die Produkte und Leistungen aus der Fertigungstechnik des Unternehmens kommen in nahezu jeder Branche zum Einsatz. TRUMPF ist Technologie- und Marktführer bei Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung und bei industriellen Lasern.
2012/13 erwirtschaftete das Unternehmen mit rund 9.900 Mitarbeitern einen Umsatz von 2,35 Milliarden Euro (vorläufige Angaben). Mit rund 60 Tochtergesellschaften und Niederlassungen ist die Gruppe in fast allen europäischen Ländern, in Nord- und Südamerika sowie in Asien vertreten. Produktionsstandorte befinden sich in Deutschland, China, Frankreich, Großbritannien, Japan, Mexiko, Österreich, Polen, in der Schweiz, in Singapur, in Tschechien und in den USA.

www.trumpf.com
Pressekontakt: Verena Buttler, +49 7156 303 31559, verena.buttler@de.trumpf.com

Friedrich-Schiller-Universität Jena
Die Friedrich-Schiller-Universität Jena ist Thüringens einzige Volluniversität. 1558 gegründet verfügt sie heute über ein breites Angebot von fast 200 Studiengängen und -fächern. Über 20.000 Studierende sind an der Universität Jena eingeschrieben, die ihrer Hochschule immer wieder gute Studienbedingungen bescheinigen. Die Universität Jena zeichnet sich durch eine hohe Forschungsdynamik aus, besonders in ihren Schwerpunkten, die unter dem Slogan „Light – Life – Liberty“ strukturiert sind. Traditionell pflegt sie einen interdisziplinär angelegten Arbeitsstil sowie eine intensive Vernetzung mit außeruniversitären Forschungsinstituten und der Wirtschaft. Insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs wird an der Universität Jena besonders gefördert. Mit ihrer als beispielhaft anerkannten Graduierten-Akademie setzt sie auf optimale Qualifikation und höchste Qualitätsstandards. Mehr als 120 Kooperationsvereinbarungen mit Hochschulen in aller Welt unterstreichen die internationale Ausrichtung der Universität Jena.

www.uni-jena.de
Pressekontakt: Axel Burchardt, +49 3641 931030, presse@uni-jena.de

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung - produzieren mit Lichtblitzen“ wurde vom BDI – Bundesverband der Deutschen Industrie e.V. vorgeschlagen